【導讀】功率場效應晶體管由于承受短時過載的能力較弱，使其應用受到一定的限制。本文分析了MOSFET器件驅(qū)動與保護電路的設計要求，計算了MOSFET驅(qū)動器的功耗及MOSFET驅(qū)動器與MOSFET的匹配之后，在此基礎上設計了基于IR2130驅(qū)動模塊的MOSFET驅(qū)動保護電路。該電路具有結(jié)構(gòu)簡單，實用性強，響應速度快等特點。在驅(qū)動無刷直流電機的應用中證明，該電路驅(qū)動能力及保護功能效果良好。
功率場效應晶體管（Power MOSFET）是一種多數(shù)載流子導電的單極型電壓控制器件，具有開關速度快、高頻性能好、輸入阻抗高、噪聲小、驅(qū)動功率小、動態(tài)范圍大、無二次擊穿現(xiàn)象和安全工作區(qū)域（SOA）寬等優(yōu)點，因此，在高性能的開關電源、斬波電源及電機控制的各種交流變頻電源中獲得越來越多的應用。但相比于絕緣柵雙極型晶體管IGBT或大功率雙極型晶體管GTR等，MOSFET管具有較弱的承受短時過載能力，因而其實際使用受到一定的限制。如何設計出可靠和合理的驅(qū)動與保護電路，對于充分發(fā)揮MOSFET功率管的優(yōu)點，起著至關重要的作用，也是有效利用MOSFET管的前提和關鍵。文中用IR2130驅(qū)動模塊為核心，設計了功率MOSFET驅(qū)動保護電路應用與無刷直流電機控制系統(tǒng)中，同時也闡述了本電路各個部分的設計要求。該設計使系統(tǒng)功率驅(qū)動部分的可靠性大大的提高。
1 功率MOSFET保護電路設計
功率場效應管自身擁有眾多優(yōu)點，但是MOSFET管具有較脆弱的承受短時過載能力，特別是在高頻的應用場合，所以在應用功率MOSFET對必須為其設計合理的保護電路來提高器件的可靠性。功率MOSFET保護電路主要有以下幾個方面：
1）防止柵極 di/dt過高：由于采用驅(qū)動芯片，其輸出阻抗較低，直接驅(qū)動功率管會引起驅(qū)動的功率管快速的開通和關斷，有可能造成功率管漏源極間的電壓震蕩，或者有可能造成功率管遭受過高的di/dt而引起誤導通。為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，通常在MOS驅(qū)動器的輸出與MOS管的柵極之間串聯(lián)一個電阻，電阻的大小一般選取幾十歐姆。
2）防止柵源極間過電壓 由于柵極與源極的阻抗很高，漏極與源極間的電壓突變會通過極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當高的柵源尖峰電壓，此電壓會使很薄的柵源氧化層擊穿，同時柵極很容易積累電荷也會使柵源氧化層擊穿，所以要在MOS管柵極并聯(lián)穩(wěn)壓管以限制柵極電壓在穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值以下，保護MOS管不被擊穿，MOS管柵極并聯(lián)電阻是為了釋放柵極電荷，不讓電荷積累。
3）防護漏源極之間過電壓 雖然漏源擊穿電壓VDS一般都很大，但如果漏源極不加保護電路，同樣有可能因為器件開關瞬間電流的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓，進而損壞MOS管，功率管開關速度越快，產(chǎn)生的過電壓也就越高。為了防止器件損壞，通常采用齊納二極管鉗位和RC緩沖電路等保護措施。
當電流過大或者發(fā)生短路時，功率MOSFET漏極與源極之間的電流會迅速增加并超過額定值，必須在過流極限值所規(guī)定的時間內(nèi)關斷功率MOSFET，否則器件將被燒壞，因此在主回路增加電流采樣保護電路，當電流到達一定值，通過保護電路關閉驅(qū)動電路來保護MOSFET管。圖1是MOSFET管的保護電路，由此可以清楚的看出保護電路的功能。
圖1 功率管的保護電路
2 功率MOSFET驅(qū)動電路的設計
功率場效應晶體管的柵極對驅(qū)動電路的要求主要有以下幾個方面：
1）產(chǎn)生的柵極驅(qū)動脈沖必須具有足夠的上升和下降速度，脈沖的前后沿要陡峭：
2）開通時以低電阻對柵極電容充電，關斷時為柵極電荷提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開關速度；
3）為了使功率MOSFET可靠導通，柵極驅(qū)動脈沖應有足夠的幅度和寬度；
4）功率MOSFET開關時所需的驅(qū)動電流為柵極電容的充放電電流，為了使開關波形有足夠的上升下降陡度，驅(qū)動電流要大。
MOSFET驅(qū)動器在驅(qū)動MOSFET功率管的功耗主要包括3個方面：
1）MOSFET柵極電容的充電放電產(chǎn)生的功耗為：
Pc=CG×F×V2DD （1）
其中：CG為MOSFET柵極電容；VDD為MOSFET驅(qū)動器電源電壓；F為開關頻率。
2）MOSFET驅(qū)動器吸收靜態(tài)電流產(chǎn)生的功耗為：
PQ=（IQH×D+IQL（1-D））×VDD （2）
其中：IQH為驅(qū)動器輸入為高電平狀態(tài)的靜態(tài)電流；D為開關波形的占空比；IQL為驅(qū)動器輸入為低電平狀態(tài)的靜態(tài)電流。
3）MOSFET驅(qū)動器交越導通電流產(chǎn)生的功耗為：
PS=CC×F×VDD （3）
其中：CC為交越常數(shù)。
從上述公式可以推導出，在3部分功耗中其中柵極電容充放電功耗在MOSFET驅(qū)動器功耗中占的比例最高，特別是在很低的開關頻率時。同時根據(jù)公式減小柵極驅(qū)動電壓可以顯著減少驅(qū)動器的功耗。
在應用中使MOS管驅(qū)動器與MOS管匹配主要是根據(jù)功率MOS管導通和截止的速度快慢即柵極電壓的上升和下降時間，也即是MOS管柵極電容的充放電速度。MOS管柵極電容導通與截止的時間與MOS管驅(qū)動器的驅(qū)動電流的關系可以表示為：
T=（VxC）/I （4）
其中：T表示導通與截止時間，V表示MOS管柵極源極兩端的電壓，C表示柵極電容，I表示驅(qū)動器峰值驅(qū)動電流。
根據(jù)柵極電壓與柵極電容的乘積為柵極電荷Q則上式可轉(zhuǎn)化為T=Q/I.本設計中功率MOSFET采用IR公司的IRF3710S功率MOSFET芯片，從其datasheet可以得到MOSFET的柵極電荷為26 nC，導通/截止時間為106 ns，可以得到峰值驅(qū)動電流為，驅(qū)動電壓為12 V，本設計驅(qū)動芯片采用IR公司的IR2130驅(qū)動模塊，該芯片可用來驅(qū)動工作在母電壓不高于600 V的電路中的功率MOS門器件，其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動電流為250mA，輸出驅(qū)動電壓為10~20V而反向峰值驅(qū)動電流為500 mA.它內(nèi)部設計有過流、過壓及欠壓保護、封鎖和指示網(wǎng)絡，使用戶可方便的用來保護被驅(qū)動的MOS門功率管，加之內(nèi)部自舉技術的巧妙運用使其可用于高壓系統(tǒng)，它還可對同一橋臂上下2個功率器件的門極驅(qū)動信號產(chǎn)生2μs互鎖延時時間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬（3~20 V），在它的內(nèi)部還設計有與被驅(qū)動的功率器件所通過的電流成線性關系的電流放大器，電路設計還保證了內(nèi)部的3個通道的高壓側(cè)驅(qū)動器和低壓側(cè)驅(qū)動器可單獨使用，亦可只用其內(nèi)部的3個低壓側(cè)驅(qū)動器，并且輸入信號與TTL及COMS電平兼容。IR2130管腳如圖2所示。
圖2 IR2130管腳
圖2中HIN1~HIN3、LIN1~LIN3：逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動信號輸入端，低電平有效。CA-、CAO、VSO：內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可對主電路的電流進行檢測。ITRIP：過流信號檢測輸入端，可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護。FAULT：過流、直通短路、過壓、欠壓保護輸出端，該端提供一個故障保護的指示信號。它在芯片內(nèi)部是漏極開路輸出端，低電平有效。VB1~VB3：是懸浮電源連接端，通過自舉電容和快速恢復二極管為3個上橋臂功率管的驅(qū)動器提供內(nèi)部懸浮電源，其中快速恢復二極管的作用是防止母線電壓倒流損壞器件，VS1~VS3是其對應的懸浮電源地端。HO1~HO3、LO1~LO3：逆變器上下橋臂功率開關器件驅(qū)動器信號輸出端。
在實際應用中，IR2130的設計也有一些不合理之處，在使用中應特別注意。
1）IR2130的故障輸出只有一個通道，在實際應用中很難判斷是過流還是欠壓故障，特別是在上電過程中，控制電源必然從0上升至某值，在此過程中，IR2130的故障輸出端因內(nèi)部欠壓而動作，將此信號作為過電流信號去觸發(fā)前級保護電路時，如果前級保護電路具有自鎖功能，可能使電路無法起動。
2）由于IR2130的電流檢測輸入端直接與主電路連接，很容易引入干擾而使系統(tǒng)停機或出現(xiàn)異常，因此，電流檢測電阻應采用無感電阻。
3）由于IR2130采用了不隔離的驅(qū)動方式，若主電路功率器件損壞，高壓將直接串入IR2130，引起IR2130永久性損壞，嚴重時還會將IR2130前級電路擊穿。
4）當IR2130的輸入信號來自微處理器時必須采取隔離措施，由于IR2130具有高側(cè)驅(qū)動功能，因此可使用普通光耦，以降低成本。
3 應用實例
永磁無刷直流電機是隨著高性能永磁材料、電機控制技術和電力電子技術發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電機，它既具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便、壽命長等優(yōu)點，又具備直流電機運行效率高、無勵磁損耗及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，且還具有功率密度高，低轉(zhuǎn)速，大轉(zhuǎn)矩的特點。它的應用已從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動化等領域迅速發(fā)展。
圖3是由IR2130組成的無刷直流電機驅(qū)動原理圖為便于表示只畫出其中一個橋臂的電路示意圖，通過IR2130輸入信號控制MOSFET的開關，由此驅(qū)動無刷直流動機。C1是自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動的懸浮電源存儲能量，D1的作用是防止上橋臂導通時母線電壓倒流到IR2130的電源上而使器件損壞，因此D1應有足夠的反向耐壓，當然D1與C1串聯(lián)也是為了滿足主電路功率開關頻率的要求，D1應選快速恢復二極管。 R1、R2、R10、R11、R12、C4組成過流檢測電路。R5、R6為柵極驅(qū)動電阻，D4、D5為功率管提供了一個低阻抗的放電回路，使功率管能夠快速的泄放電荷。
圖3 無刷直流電機驅(qū)動原理圖
功率場效應管的柵極與源極之間并聯(lián)了一個電阻和一個齊納二極管，電阻的作用是降低柵極與源極間的阻抗，齊納二極管的作用是防止柵極與源極間尖端電壓擊穿功率管。同時在功率場效應管的漏極與源極之間并聯(lián)了一個RC電路和齊納二極管，由于器件開關瞬間電流的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓，所以必須加上RC緩沖電路和齊納二極管對其進行保護。
在實際應用中柵極的驅(qū)動波形如圖4所示，此波形是在電機3000RPM時的驅(qū)動波形，可以看出此波形完全能夠滿足要求，同時進行了短路、電機堵轉(zhuǎn)等試驗，圖3電路也能過很好地保護功率MOSFET管。
圖4 柵極驅(qū)動波形
4 結(jié)束語
功率MOSFET驅(qū)動保護電路的設計可直接決定系統(tǒng)對執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動品質(zhì)。文中針對具體的微電機驅(qū)動保護系統(tǒng)，有針對性地功率驅(qū)動保護電路進行計算分析與設計。實驗證明該電路設計簡單可靠，驅(qū)動與保護效果良好，完全可以滿足控制系統(tǒng)對執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動要求。
【推薦閱讀】
